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设计模式-单例模式

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本文主要介绍设计模式中的单例模式，包含了单例模式的八种方式。

1. 单例模式的介绍

所谓的单例模式，就是采取一定的方法，保证在整个的软件系统中，==对某个类只能存在一个对象实例==，并且该类只提供一个取得起对象实例的方法（静态方法）。

2. 单例模式的八种方式

  1. ==饿汉式（静态常量）==
  2. ==饿汉式（静态代码块）==
  3. 懒汉式（线程不安全）
  4. 懒汉式（线程安全，同步方法）
  5. 懒汉式（线程安全，同步代码块）
  6. ==双重检查==
  7. ==静态内部类==
  8. ==枚举==

2.1 饿汉式（静态常量）

饿汉式（静态常量）应用实例

步骤如下：

1）构造器私有化（防止new）

2）类的内部创建对象

3）向外暴露一个静态的公共方法。getInstance

4）代码实现

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//饿汉式（静态变量）
class Singleton {
	//1. 构造器私有化（防止外部new）
	private Singleton() {
		
	}
	
	//2. 类的内部创建对象实例
	private final static Singleton instance = new Singleton();
	
	//3. 向外提供一个静态的公共方法
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
}
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public static void main(String[] args) {
		//测试
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
}

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

这种方式基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用 getinstance 方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 就没有达到lazy loading 的效果

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

2.2 饿汉式（静态代码块）

代码演示：

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class Singleton {
	//1. 构造器私有化，外部不能new
	private Singleton() {
		
	}
	
	//2.本类内部创建对象实例
	private  static Singleton instance;
	
  // 在静态代码块中，创建单例对象
	static { 
		instance = new Singleton();
	}
	
	//3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

这种方式和上面的方式其实是类似的，只不过将类实例化的过程放在静态代码块中，也就是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

2.3 懒汉式（线程不安全）

代码演示：

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class Singleton {
	private static Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance
	//即懒汉式
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

1）起到了lazy loading的效果，但是只能在单线程下使用。

2）如果在多线程下，一个线程进入了if(singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时会产生多个实例，所以在多线程环境下不可使用这种方式。

结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

2.4 懒汉式（线程安全，同步方法）

代码演示：

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// 懒汉式（线程安全）
class Singleton {
	private static Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
  //synchronized修饰
	public static synchronized Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

1）解决了线程安全问题

2）效率太低了，每个线程在想获得类的实例的时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想要获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低。

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

2.5 懒汉式（线程安全，同步代码块）

代码演示：

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class Singleton {
	private static Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	//同步代码块，无法解决线程安全问题
  //会有多个线程执行if语句
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				instance = new Singleton();
			}
		}
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

1）这种方式本意是要对上一个方式进行改进，因为上一个方式效率太低，从而改为同步产生实例化的代码块。

2）但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟2.3的情况一样，如果在多线程下，一个线程进入了if(singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时会产生多个实例。

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

2.6 双重检查

代码演示：

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//懒汉式（线程安全，同步方法和代码块，双重检查）
class Singleton {
  //volatile修饰，相当于轻量级的synchronized
	private static volatile Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载问题
  //同时保证了效率，强烈推荐使用
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
      //保证只有一个线程执行这个代码块来进行实例化
			synchronized (Singleton.class) {
				if(instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
			
		}
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

1）Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (instance == null)检查，这样就可以保证线程安全。

2）这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if(instance == null)，直接return实例化对象，也避免了反复进行方法同步。

3）线程安全；延迟加载；效率较高

结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

2.7 静态内部类

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// 静态内部类完成，推荐使用
class Singleton {
	private static volatile Singleton instance;
	
	//构造器私有化
	private Singleton() {}
	
	//写一个静态内部类，该类中有一个静态属性 Singleton
	private static class SingletonInstance {
		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
	}
	
	//提供一个静态的公有方法，同时同步方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
	public static Singleton getInstance() {
		return SingletonInstance.INSTANCE;
	}
}

优缺点说明：

1）这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

2）静态内部类方式在Singleton类被装载时不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会被装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。

3）类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全，在类进行初始化时，别的线程时无法进入的。

4）避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

结论：推荐使用。

2.8 枚举

代码演示：

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//使用枚举，可以实现单例，推荐
enum Singleton {
	INSTANCE; //属性
	public void sayOK() {
		System.out.println("ok~");
	}
}

测试：

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public static void main(String[] args) {
		Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
		Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
		System.out.println(instance == instance2);
		
		System.out.println(instance.hashCode());
		System.out.println(instance2.hashCode());
		
		instance.sayOK();
}

优缺点说明：

1）借助JDK1.5中添加的枚举类来实现单例模式。不仅能够避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

2）这种方式时Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式

结论：推荐使用。

3. 单例模式在JDK应用的源码分析

1）在JDK中，java.lang.Runtime就是静单的单例模式（饿汉式）

2）代码分析

4. 单例模式注意事项和细节说明

1）单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

2）当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是用new。

3）单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源、session工厂等）。